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摘要：本文针对目前车辆工程领域汽车电子研究方向发展的趋势，以课程定位、教学案例编排、知识更新及实践环节强化为基本切入点，介绍了《控制系统仿真与设计》课程及其教学改革的经验。实践证明，这些方法能有效地提高知识传授的效率，并提高学生的动手能力。
关键词：控制系统；汽车工程；V型开发模式；工具链；实践教学
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）06-0122-02
一、引言
由于电子控制技术在汽车工程中的应用发展十分迅速，在过去的二十年中，汽车上几乎有一半以上的创新都来自于汽车电子，汽车电子已成为车辆工程学科里一个重要的研究方向。汽车发动机电控、制动防抱死、稳定性控制、自动变速箱控制、电子助力转向等等，以及现在新能源汽车上出现越来越多蓄电池管理系统、混合动力能量管理系统等，现代车辆的控制器数量一般在20～30个，而高端车上已突破150个，控制系统及控制器的开发，是对控制系统设计理论在具体工程控制问题上的应用，具有很强的实践性和理论性。《控制系统仿真与设计》课程显然已成为一门重要的课程，且发展迅速、知识内容的更新很快。本文以同济大学汽车学院《控制系统仿真与设计》课程改革为例，讲述了在改革实践中获得的一些经验，与同行分享。
二、改革实践经验
1.充分认识课程在培养计划中的定位。汽车电子在汽车中的地位越来越重要，因此汽车电子专业已越来越多地成为车辆工程学科下主要专业之一。该专业是基于现代汽车对电子技术的更高要求而发展起来的专业方向，专业内容主要涉及新能源汽车动力系统、现代汽车动力控制系统，汽车电子网络与控制、嵌入式车载控制器、控制系统软硬件开发环境等方面的研究。《控制系统仿真与设计》作为汽车电子专业方向的专业核心课程，具有特别重要的意义。由于车辆工程本科专业学科交叉很明显，机械、电子、控制等课程均涉及，该课程在车辆工程学科汽车电子专业方向的知识体系中，所处的位置如下图所示。
电子电工技术、现代控制理论基础等自动化专业方向的基础课（如《现代控制理论基础》等）与与传统的大车辆工程专业课程，（比如《汽车构造》、《汽车电子学》、《车辆动力学控制》等课程）之间具有比较大的差别。而该课程正好是衔接这两大知识体系的中间桥梁。学生从《现代控制理论基础》等课程中学会了拉氏变换、控制系统建模、闭环控制、反馈控制、控制系统校正等基本概念和方法，但是这些方法在讲述时由于内容饱满、实践条件限制等原因，往往大部分停留在纸面；而《汽车构造》、《汽车电子学》等课程重点介绍汽车机械结构、电器系统结构、汽车上的基本电路、元器件、控制器的功能及应用，十分具象、具体，因此无法用更深层的理论来推导目前汽车电子的发展趋势、设计、试验等等的方法。《控制系统仿真与设计》正好弥补了两者之间的知识盲区，使得学生从通用基础知识出发更容易学习专业基础知识。
2.编排面向本专业的教学案例。电子控制系统最初出现在航空航天工业、军事工业、工业自动化等工业部门，在汽车上，直到70年代末才逐步引入电子控制系统，而且由于专利保护和技术封锁不流通，在目前自动化教材中，系统性地以汽车为对象讲述如何设计控制系统的教学案例比较少，适合于汽车专业学生及工程技术人员阅读的教材并不多。在本次教学改革实践中，我们课题组以现有学术研究成果为基础，编排了适合车辆工程专业学生阅读的教材，其中以直流电机调速控制、电子助力转向和汽车自适应巡航控制为主要教学案例。在教学案例的筛选过程中，基本遵循以下的原则：覆盖车载普遍存在和应用的控制对象及控制系统；以较为成熟的控制系统和具有代表性的控制方法应用为案例；以自己掌握的研究成果作为教学案例使用。比如，电机是汽车机电系统中常用的电器件，而直流电机速度反馈控制可以使用经典的PID控制方法来实现，该案例具有代表性；比如电子助力转向控制是本课题组的研究成果，积累了长达十几年的研究经验和理论，作为教学案例使用具有明显的优势。
3.引入成熟新颖的系统性专门知识。控制器的开发方法是本课程最重要的知识内容之一。由于传统的控制器开发模式基于文本格式的设计要求，开发周期长、可靠性差、开发费用高的问题，现代汽车电子控制系统及控制器设计开发方法中面临越来越多的挑战，基本上已经被各个企业所淘汰，因此在该课程改革中，仅仅做简要讲述，另外再引入了V型开发模式的教学内容。控制系统的开发往往包括硬件（传感器、执行器和电路等）和软件两部分，V型开发模式使得软件开发能同时进行。控制器V型开发模式实际上已经成为了一个标准化的开发流程过程，其开发方法接近成熟、知识也较为系统，因此作为本课程的一部分内容加以讲述。V型开发模式包括5个基本环节：第一环节，需求开发与离线仿真，主要通过对系统的性能进行定义，包括传感器和执行器信号接口、控制目标和控制精度等，并采用离线仿真的方法，设计控制算法；第二环节，快速控制器原型是在离线仿真中已完成设计的控制算法，利用通用控制设备作为控制器使用，验证控制算法的有效性；第三环节，利用自动代码生成工具，直接将已经验证过的离线仿真算法生成嵌入式系统代码，编译后写进控制器；第四步，硬件在环仿真测试，在产品级控制器上实现控制算法之后，需要对其进行彻底测试；第五环节，系统集成与标定，对最终的控制系统实现参数标定和匹配。虽然与传统控制器开发相比，V型开发模式具有很多优势，但是由于V型开发模式的实践性很强，并需要依靠一系列的工具链来完成，因此在实际教学中必须配备必要的实验演示系统和相应的实验环节。本课程为此专门开发了以电机调速为案例的从第一环到第五环的实验演示及联系教具，同时克服了实际应用中工具链的成本昂贵、复杂难学的问题。
4.注重实验与实践环节。由于本课程是一门从控制系统理论到工程实际应用的的课程，应十分注重实验与实践环节，教学改革中通过以下方法获得了良好的效果。①通过让学生参观实际的汽车电子控制系统工作室和实验测试台架，给学生以感性认识。该课程通过让学生参观快速控制器原型实物（比如xPC，autobox，dspace等）、驾驶模拟器、助力转向测试台架、自适应巡航概念汽车、自动驾驶概念汽车等，加深学生对控制系统、控制系统仿真及开发设计的概念。②在理论讲解过程中配合试验示范演示。为此本课程专门开发的以直流电机闭环调速系统，开发了需求文档、数字仿真模型、控制器设计及仿真模型、自动代码生成及测试与标定工具，在讲解相关课程内容时加以演示和示范。③创造实践动手环节。实验始终是目前学生比较弱的一环，我们采取了由易到难、循序渐进的实验方案，即先采用比较简单的Windows Target实时代码生成及运行例子、在逐步使用半嵌入式的实时运行教学案例，再到最后采用完全嵌入式系统的自动代码生成及测试标定练习。这种循序渐进的办法能使得学生更加容易掌握知识点。
《控制系统仿真与设计》课程的改革实践证明，从课程定位、教学案例编排、知识更新及实践环节强化为基本切入点，能有效地提高知识传授的效率，并提高学生的动手能力。
参考文献：
[1]张新丰.汽车智能电器系统[D].北京：清华大学，2009.
基金项目：同济大学教学改革项目
作者简介：张新丰（1980-），男，浙江湖州人，博士，同济大学汽车学院讲师，研究方向为汽车电子电器系统及燃料电池控制技术；陈慧（1964-），男，上海人，博士，同济大学汽车学院汽车电子研究方向责任教授，研究方向为汽车智能化控制。
关键词：控制系统；汽车工程；V型开发模式；工具链；实践教学
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1674-9324（2012）06-0122-02
一、引言
由于电子控制技术在汽车工程中的应用发展十分迅速，在过去的二十年中，汽车上几乎有一半以上的创新都来自于汽车电子，汽车电子已成为车辆工程学科里一个重要的研究方向。汽车发动机电控、制动防抱死、稳定性控制、自动变速箱控制、电子助力转向等等，以及现在新能源汽车上出现越来越多蓄电池管理系统、混合动力能量管理系统等，现代车辆的控制器数量一般在20～30个，而高端车上已突破150个，控制系统及控制器的开发，是对控制系统设计理论在具体工程控制问题上的应用，具有很强的实践性和理论性。《控制系统仿真与设计》课程显然已成为一门重要的课程，且发展迅速、知识内容的更新很快。本文以同济大学汽车学院《控制系统仿真与设计》课程改革为例，讲述了在改革实践中获得的一些经验，与同行分享。
二、改革实践经验
1.充分认识课程在培养计划中的定位。汽车电子在汽车中的地位越来越重要，因此汽车电子专业已越来越多地成为车辆工程学科下主要专业之一。该专业是基于现代汽车对电子技术的更高要求而发展起来的专业方向，专业内容主要涉及新能源汽车动力系统、现代汽车动力控制系统，汽车电子网络与控制、嵌入式车载控制器、控制系统软硬件开发环境等方面的研究。《控制系统仿真与设计》作为汽车电子专业方向的专业核心课程，具有特别重要的意义。由于车辆工程本科专业学科交叉很明显，机械、电子、控制等课程均涉及，该课程在车辆工程学科汽车电子专业方向的知识体系中，所处的位置如下图所示。
电子电工技术、现代控制理论基础等自动化专业方向的基础课（如《现代控制理论基础》等）与与传统的大车辆工程专业课程，（比如《汽车构造》、《汽车电子学》、《车辆动力学控制》等课程）之间具有比较大的差别。而该课程正好是衔接这两大知识体系的中间桥梁。学生从《现代控制理论基础》等课程中学会了拉氏变换、控制系统建模、闭环控制、反馈控制、控制系统校正等基本概念和方法，但是这些方法在讲述时由于内容饱满、实践条件限制等原因，往往大部分停留在纸面；而《汽车构造》、《汽车电子学》等课程重点介绍汽车机械结构、电器系统结构、汽车上的基本电路、元器件、控制器的功能及应用，十分具象、具体，因此无法用更深层的理论来推导目前汽车电子的发展趋势、设计、试验等等的方法。《控制系统仿真与设计》正好弥补了两者之间的知识盲区，使得学生从通用基础知识出发更容易学习专业基础知识。
2.编排面向本专业的教学案例。电子控制系统最初出现在航空航天工业、军事工业、工业自动化等工业部门，在汽车上，直到70年代末才逐步引入电子控制系统，而且由于专利保护和技术封锁不流通，在目前自动化教材中，系统性地以汽车为对象讲述如何设计控制系统的教学案例比较少，适合于汽车专业学生及工程技术人员阅读的教材并不多。在本次教学改革实践中，我们课题组以现有学术研究成果为基础，编排了适合车辆工程专业学生阅读的教材，其中以直流电机调速控制、电子助力转向和汽车自适应巡航控制为主要教学案例。在教学案例的筛选过程中，基本遵循以下的原则：覆盖车载普遍存在和应用的控制对象及控制系统；以较为成熟的控制系统和具有代表性的控制方法应用为案例；以自己掌握的研究成果作为教学案例使用。比如，电机是汽车机电系统中常用的电器件，而直流电机速度反馈控制可以使用经典的PID控制方法来实现，该案例具有代表性；比如电子助力转向控制是本课题组的研究成果，积累了长达十几年的研究经验和理论，作为教学案例使用具有明显的优势。
3.引入成熟新颖的系统性专门知识。控制器的开发方法是本课程最重要的知识内容之一。由于传统的控制器开发模式基于文本格式的设计要求，开发周期长、可靠性差、开发费用高的问题，现代汽车电子控制系统及控制器设计开发方法中面临越来越多的挑战，基本上已经被各个企业所淘汰，因此在该课程改革中，仅仅做简要讲述，另外再引入了V型开发模式的教学内容。控制系统的开发往往包括硬件（传感器、执行器和电路等）和软件两部分，V型开发模式使得软件开发能同时进行。控制器V型开发模式实际上已经成为了一个标准化的开发流程过程，其开发方法接近成熟、知识也较为系统，因此作为本课程的一部分内容加以讲述。V型开发模式包括5个基本环节：第一环节，需求开发与离线仿真，主要通过对系统的性能进行定义，包括传感器和执行器信号接口、控制目标和控制精度等，并采用离线仿真的方法，设计控制算法；第二环节，快速控制器原型是在离线仿真中已完成设计的控制算法，利用通用控制设备作为控制器使用，验证控制算法的有效性；第三环节，利用自动代码生成工具，直接将已经验证过的离线仿真算法生成嵌入式系统代码，编译后写进控制器；第四步，硬件在环仿真测试，在产品级控制器上实现控制算法之后，需要对其进行彻底测试；第五环节，系统集成与标定，对最终的控制系统实现参数标定和匹配。虽然与传统控制器开发相比，V型开发模式具有很多优势，但是由于V型开发模式的实践性很强，并需要依靠一系列的工具链来完成，因此在实际教学中必须配备必要的实验演示系统和相应的实验环节。本课程为此专门开发了以电机调速为案例的从第一环到第五环的实验演示及联系教具，同时克服了实际应用中工具链的成本昂贵、复杂难学的问题。
4.注重实验与实践环节。由于本课程是一门从控制系统理论到工程实际应用的的课程，应十分注重实验与实践环节，教学改革中通过以下方法获得了良好的效果。①通过让学生参观实际的汽车电子控制系统工作室和实验测试台架，给学生以感性认识。该课程通过让学生参观快速控制器原型实物（比如xPC，autobox，dspace等）、驾驶模拟器、助力转向测试台架、自适应巡航概念汽车、自动驾驶概念汽车等，加深学生对控制系统、控制系统仿真及开发设计的概念。②在理论讲解过程中配合试验示范演示。为此本课程专门开发的以直流电机闭环调速系统，开发了需求文档、数字仿真模型、控制器设计及仿真模型、自动代码生成及测试与标定工具，在讲解相关课程内容时加以演示和示范。③创造实践动手环节。实验始终是目前学生比较弱的一环，我们采取了由易到难、循序渐进的实验方案，即先采用比较简单的Windows Target实时代码生成及运行例子、在逐步使用半嵌入式的实时运行教学案例，再到最后采用完全嵌入式系统的自动代码生成及测试标定练习。这种循序渐进的办法能使得学生更加容易掌握知识点。
《控制系统仿真与设计》课程的改革实践证明，从课程定位、教学案例编排、知识更新及实践环节强化为基本切入点，能有效地提高知识传授的效率，并提高学生的动手能力。
参考文献：
[1]张新丰.汽车智能电器系统[D].北京：清华大学，2009.
基金项目：同济大学教学改革项目
作者简介：张新丰（1980-），男，浙江湖州人，博士，同济大学汽车学院讲师，研究方向为汽车电子电器系统及燃料电池控制技术；陈慧（1964-），男，上海人，博士，同济大学汽车学院汽车电子研究方向责任教授，研究方向为汽车智能化控制。